摘要：在自然界中，形态的瞬间变化往往关乎生存。例如，捕蝇草能在 0.1 秒内合拢叶片捕捉猎物，狸藻则以毫秒级速度爆裂气泡吸入昆虫。这些高速动作源于生物体内储存的弹性能量，在外界刺激下瞬间释放，触发“弹跃失稳”（snapping instability）—— 一种兼具

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在自然界中，形态的瞬间变化往往关乎生存。例如，捕蝇草能在 0.1 秒内合拢叶片捕捉猎物，狸藻则以毫秒级速度爆裂气泡吸入昆虫。这些高速动作源于生物体内储存的弹性能量，在外界刺激下瞬间释放，触发“弹跃失稳”（snapping instability）—— 一种兼具快速、可逆、高效的天然机制。

受此启发，科研人员在杆梁、折纸/剪纸、壳体等人工结构中成功实现了单稳态或双稳态的弹跃形变，但整体仍受限于形态单一、设计空间有限与缺乏重编程能力。特别是在三维自支撑曲面中，要实现如自然界般丰富且可逆的快速形态转变，仍是一项重大挑战。

值得关注的是，具备多稳态与低能耗稳定性的结构，不仅能实现形态记忆与自复原，还为可重构、自适应软体机器人带来了全新机遇。如何在有限能量下实现精准驱动与多模态运动——如跳跃、爬行、转弯或穿越复杂地形——已成为该领域的重要科学问题。

针对这些挑战，美国北卡罗来纳州立大学尹杰（Jie Yin）课题组提出了基于“剪–粘储能”（cut-and-paste energy storage）的创新方法，用以构建具有可编程与可重编程特性的多稳态结构。该方法具有高度普适性，可适用于杆梁、条带、折纸、剪纸及壳体等多种体系。

基于这一思路，团队首先提出了一种由多条细带组成的灯笼状多稳态带簇超材料单元（lantern-shaped ribbon-cluster meta-unit）。该结构在组装过程中通过带条的弯曲与扭转储存弹性能，从而实现了前所未有的多稳态可编程弹跃形变（snapping morphogenesis）。研究表明，单个单元即可在边界翻转、拉伸或扭转载荷下展现超过十三种三维弹跃形态，并能在单稳态、双稳态、三稳态甚至四稳态之间自由切换。该成果以“Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon-cluster meta-units using stored elastic energy”为题发表在 Nature Materials 上，论文第一作者为洪尧烨（Yaoye Hong）博士。

进一步地，团队在壳单元体系中发展出多稳态可展薄壳超结构（multistable developable shell metastructure），能够在无需外部锁定力的情况下，仅通过简单的拉伸与压缩自由切换超过 20 种稳定形态。研究还提出了“动态虚拟折线（dynamic virtual crease）”的新概念，揭示了多稳态转变的内在力学机理。由于具备低能垒与多稳定特性，这类薄壳结构非常适合与多种驱动机制结合。

研究团队将其与磁场驱动与电驱柔性薄膜相结合，构建出一系列具有多响应特性、自适应能力的“超构机器人”（metabot）。其中包括：一种能够在磁场下实现多步态跳跃与爬行的自适应磁驱动机器人；以及一种能在磁场与电刺激下自主转向、爬行的双响应可重构软体机器人。这些机器人可根据环境实时调整体态，实现跨越障碍、穿越狭缝等复杂运动，展现出卓越的灵活性与能效。相关成果以“Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots”为题发表在 Science Advances 上，论文第一作者为博士生周才植（Caizhi Zhou）。

灯笼状多稳态带簇超材料单元

研究团队提出了一种简便高效的“剪与粘”制造方法（图一）：通过激光切割，将薄片材料（如 PET 薄膜）裁剪成多条平行细带，再在两端角点处重新粘接，薄片便从平面结构“弹”成立体的灯笼状带簇单元。在这个过程中，通过调节二维条带之间的夹角（第一个欧拉角 β），研究者能够精确控制单元内部储存的弹性能量。

当 β 较小时，结构以扭转为主，形变平缓；而当 β 超过某个临界值后，系统进入弯曲主导区间，触发明显的“弹跃”转变。正是这种角度驱动下的能量差，使灯笼状单元能够在压缩或扭转中展现出多种可预测的三维形态，为后续的多稳态调控与功能设计奠定了基础。

更令人惊喜的是，这种结构在成型后仍具备“重编程”能力。研究团队发现，通过调节第二个关键角度——翻转角 α，也就是翻转单元的上下边界方向，结构内部的能量分布可被重新配置。由此，单个单元就能在“花瓶”“沙漏”“锥体”等多种宏观形态之间自由切换，每种形态都对应着独特的弹跃路径与失稳模式。这种 α 驱动下的形态重编程，使得结构具备了类似生物体“变形记忆”的特征。

在此基础上，团队又引入了第三个控制参数——扭转角 γ。γ 决定了结构在不同形态间转换所需跨越的能量屏障，也意味着它可以“指挥”弹跃的方向。当单元处于“花瓶态”时，轻微调整 γ 就可能让结构突然跳变为紧凑的“沙漏”或旋转收缩的“陀螺”形态。这种由 γ 主导的变形路径进一步拓宽了结构的动态响应能力。

当 β、α 与 γ 三个欧拉角协同作用时，灯笼状带簇单元展现出前所未有的三维形态自由度。

其内部的弯曲—扭转耦合机制让结构能够在多种潜在路径中自动选择最优变形路线，形成自发演化的多稳态行为。实验与模拟表明，单个单元即可实现十三种以上稳定或多稳态形态，为未来可重构、可编程的软体超材料和机器人提供了全新设计思路。

图一 多稳态三维灯笼剪纸单元

灯笼剪纸应用前景：受限环境中的快速抓取与流体控制

为验证灯笼状带簇超材料的可控性与应用潜力，研究团队在单元顶部附加了磁响应弹性体，并通过外加旋转磁场对其进行驱动，成功演示了“花苞–盛放”的可逆转变过程 （图二）。随着磁场角度逐渐增加，单元在仅 0.06 秒内便完成了从张开的“盛放”状态快速闭合为紧密的“花苞”球壳；当磁场反向调节时，结构又在 0.04 秒内重新舒展成“盛放”形态。更为重要的是，闭合后的花苞无需持续外部能量维持，能够自持稳定。

图二 受限环境中的应用：柔性机械抓手、流体控制阀门、受限可展结构

这种“花苞–盛放”式的动态演化被研究团队进一步转化为一种适用于受限环境的非侵入式抓手。在水下实验中，研究人员展示了该结构如何快速包裹并抓取活体鱼类、鱼卵等柔软而脆弱的目标。与传统机械夹持不同，球壳式闭合的包裹方式避免了硬接触带来的损伤，真正实现了温柔而高效的抓取和释放。此外，研究团队还将其原理拓展至流体控制。通过在单元的一端封接柔性膜片并嵌入管路，他们构建了一个可远程驱动的软体阀门。当结构处于“花瓶”态时，液体可自由通过；而在磁场作用下跳变为“沙漏”态时，带簇的扭转使内置管道产生褶皱和阻断，瞬间完成流体关闭。释放磁场后，结构自动恢复为初始形态，阀门重新开启。与传统阀门相比，这种设计不仅响应更快、结构更柔顺，还能在不规则和受限空间内可靠工作，为柔性输运系统和微创医疗器械提供了新的可能。

多稳态可展薄壳超结构

研究从一张带有“H形”切口的PET薄片开始（图三）。当切开的内边缘被重新粘合在一起时，薄膜会自发弹起成对称的三维壳体结构，内部储存了可观的弹性应变能。这种预存的能量赋予了它多稳态特性——可以在多个稳定形状之间自由切换。随着粘合距离的增大，薄膜中储存的能量增加，稳定形态的数量也随之迅速增长：从最初的4种，增加到多达20种。令人惊讶的是，这种薄壳单元的“形变效率”远超现有的多稳态结构单元，是常见折纸结构的4倍以上。当多个单元相互连接时，还能组合出数百种稳定形态，为构建多功能可重构材料与机器人奠定基础。

图三 多稳态可展薄壳超结构变形效率以及潜在应用

简单拉压导致形态转化以及折叠的“动态虚拟折线”

在实验与仿真中，研究人员详细揭示了这些形态转变的过程。通过轻微的按压或拉起壳体特定区域（如拱顶或侧边），结构会在不同形态间“跳跃”切换，而且每一种形态都能独立保持稳定（图四a）。这种转变对应着材料内部能量的重新分配：当局部弯曲能量积累到临界点时，结构就会“啪”地一声翻转，进入新的稳定状态。能量图谱的分析显示，这些“形态跃迁”背后隐藏着类似物理势垒的机制，决定了每种形态之间的切换难易程度。

图四 拉压导致多稳态形状变化以及动态虚拟折线折叠原理

为了理解这种复杂的形变机制，研究团队引入了一个新概念——动态虚拟折线（dynamic virtual creases）。与传统折纸中的真实折线不同，这些“虚拟折线”是由材料内部应力分布形成的“无形折线”。当这些区域的弯曲能量集中时，就像折纸被“暗中折叠”了一样，引发结构形态的跃迁。通过有限元仿真与可展曲面理论相结合的分析（图四b），研究发现这些虚拟褶皱可以分为三类：I型（黄色）：位于弧边的水平褶皱；II型（绿色）：位于四角的倾斜褶皱；III型（紫色）：位于中央的交叉褶皱。不同褶皱的激活与折叠，正是形态转变的“控制开关”，决定了结构如何弯曲、翻转与回弹。

应用：自适应磁驱多步态跳跃与爬行机器人

研究团队将磁性弹性薄带贴在关键触发区域，通过外部磁场控制，实现了结构的远程形态切换与多模态运动（图五）。在不同磁场方向下，薄壳机器人能自由转换八种稳定形态：翻转、卷曲、伸展、折叠，在地面上跳跃、爬行、转身，并能在无持续能量输入的情况下保持形态。比如， 在“跳跃模式”下，它像跳蚤一样迅速跃起；当切换为“爬行模式”后，它又能贴地前进。更令人惊喜的是，它能在复杂地形中自适应切换步态：遇到障碍时跃起越过，进入狭缝时又能收拢身体穿行。

图五 自适应磁驱多步态跳跃与爬行机器人展示

应用：双响应可重构可转向软体爬行机器人

团队还进一步开发出一款能同时响应磁场与电信号的“双响应爬行机器人”（图六）。它由两个多稳态单元串联组成，中间嵌入压电薄膜（PVDF），在交流电刺激下产生周期性弯曲，实现振动驱动。磁场的加入则能改变结构形态，让机器人在多种构型之间自由切换：它能直行、倒退、原地旋转、甚至自主拐弯，在“T形狭道”中自由穿行。这一设计首次实现了软体机器人的结构重构与路径控制统一，让机器人不再依赖复杂机构，而是通过内部弹性能量与外场协同实现智能导航。

图六 双响应可重构可转向软体爬行机器人展示

展望：从结构到智能，开启形变材料的新篇章

从“灯笼状多稳态带簇超材料”到“磁驱多模态软体机器人”，研究团队正逐步搭建起从形态编程到智能运动的完整体系。前者揭示了如何通过几何参数的设计与重编程，实现三维结构在多稳态间的自由切换；后者则进一步将这种结构自由度与磁电响应材料相结合，使得机器人能够在外场驱动下展现多种运动模式——包括自适应跳跃、变形爬行与复杂地形穿越。

这两项研究的结合，标志着软体机器人正从“被动形变”迈向“主动决策”的新阶段。借助多稳态结构的能量景观可编程性与磁驱动的可远程控制性，未来的机器人有望具备更高的环境适应性与任务自主性，实现无需外部连线的自驱动、可重构、多功能运动。

展望未来，这一系列工作不仅为可重构机械超材料和自适应机器人系统提供了新的设计思路，也为柔性制造、生物仿生与智能医疗器械等领域开辟了广阔前景。可以预见，随着多稳态结构力学与多场耦合驱动技术的进一步融合，形变材料将从“可变形”走向“有智慧”，开启软体机器人和智能结构的新篇章。

Y. Hong, C. Zhou, H. Qing, Y. Chi, J. Yin, “Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon cluster meta-units using stored elastic energy”, Nature Materials, in press (2025)，

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02370-z

C． Zhou et al.， Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots. Sci. Adv. 11, eadx4359(2025).

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4359

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来源：知社学术圈